運用phyphox進行實驗促進學生深度學習

摘要：在物理教學在，實驗作為重要手段，對促進學生的深度學習極具現實意義。本文以單擺測重力加速度的教學實踐為例，深入探討運用手機軟件phyphox開展實驗的方法，旨在激發學生學習熱情，培育其科學思維與實踐能力，助力學生深度學習。

關鍵詞：phyphox" 深度學習" 單擺測重力加速度

一、引言

深度學習強調學生對知識的深度理解、靈活運用、綜合分析、創新整合與客觀評價，尤其注重批判性思維、創新能力與實際問題解決能力的培養。在物理教學中，實驗是學生獲取直觀認知、構建物理概念、領悟物理規律的關鍵途徑。然而，以往的物理實驗常受實驗器材、時間及空間的制約，難以充分滿足學生深度學習的需求。隨著智能手機的普及與傳感器技術的進步，phyphox（手機物理工坊）能調動手機內多種傳感器測量物理量，為物理實驗教學帶來了新契機。

二、phyphox軟件在單擺實驗中的應用

（一）實驗器材準備

手機、phyphox軟件（一款手機物理實驗軟件）、鐵架臺、夾子、細線、小鋼球、強磁鐵、直尺。

（二）實驗步驟

1. 將細線一端系于小鋼球，另一端用夾子固定在鐵架臺上，強磁鐵吸附在小鋼球底端，形成單擺。鐵架臺置于水平實驗桌邊緣，便于調整擺線長度。

2. 用直尺測量擺長，本實驗中以懸掛點與小鋼球下端的距離為擺長（因小鋼球下端吸附強磁鐵）。

3. 打開手機中的phyphox軟件，利用其磁力計功能測量磁感應強度，并將手機置于單擺最下端。

4. 拉起小鋼球一小段距離，由靜止釋放，使其在豎直平面內做小角度擺動。

5. phyphox自動記錄單擺擺動過程中磁感應強度隨時間變化的數據。

6. 改變擺長多次實驗，記錄相關數據。

（三）數據處理與分析

1. 根據phyphox記錄數據圖像讀出單擺周期。

2. 通過對多組數據的分析，利用計算機擬合擺長L－周期二次方T2圖像，依據單擺周期公式由圖像斜率計算出重力加速度。

三、促進學生深度學習的策略

（一）問題引導，激發探究欲望

實驗前，教師提出系列問題：“單擺周期受哪些因素影響？如何利用單擺測量重力加速度？” “在測量單擺周期的傳統方法中需注意什么問題，如何操作？”“怎樣借助手機軟件 phyphox 輔助測量？”以問題引發學生思考，激發其探究熱情。

（二）自主實驗，培養實踐能力

讓學生自主操作實驗，在實踐中發現并解決問題，提升動手與問題解決能力。

如全振動周期教學中的深度學習。

師：點開phyphox中x軸磁力計（或 y 軸磁力計）圖表，如圖1所示，相鄰波峰是否對應一個周期？

生1：我認為是，數學中相鄰波峰或波谷即為一個周期。

生2：我不贊同，波峰代表磁感應強度最大值，此時擺球離手機最近，相鄰波峰僅表示擺球相鄰兩次經過最低點，并非一個周期。

生3：對，這一左一右經過最低點只是半個周期，應是相隔一個波峰對應一個周期。

師：沒錯，相隔一個波峰代表擺球從同一方向經過最低點，恰為一次全振動，如波峰1至波峰3的時間就是一個周期。那如何讀取數據呢？

生1：老師，軟件有“讀取數據”按鈕，點擊可直接在波峰讀取，如圖1。

學生紛紛操作實驗。

生2：老師，我發現還可通過拖曳直接讀取波峰1至波峰3的時間。如圖2。

學生操作并記錄周期數據。

師：相鄰波谷情況相同嗎？

生：應相同。波谷對應磁感應強度最小值，此時擺球離手機最遠，在最左或最右端，相隔一個波谷恰為兩次最左或最右位置，即一個周期。

師：分析準確。那有無可能相鄰波峰或波谷就是一個周期？手機應如何放置？

生1：開始時手機放擺球拉起位置附近即可。

生2：還應在最高位置外側。

師：大家分析到位，我們將手機放擺球最高位置外側試試。

學生操作并對比數據。

通過實驗與教師引導，學生的科學思維得以鍛煉，數據讀取能力和圖像分析能力提升，提高了科學素養。

（三）數據分析處理，提升推理思維

實驗中，各小組獲取多組擺長和周期數據。教師引導學生分析處理，借助計算機軟件擬合數據，如進行擺長L -周期二次方T2擬合，由斜率算出重力加速度。圖3是某一小組的數據處理結果，由此可算出重力加速度的值為9.90m/s2。此過程鍛煉學生的數據推理論證能力，培養科學思維。

部分小組測的圖線波峰差異大，要引導學生思考原因。學生分析討論后，認為可能是擺球未在同一豎直面擺動或擺線扭轉而造成的。從圖線分析背后問題，培養學生深入思考的能力。

（四）小組合作，增強合作意識

組織學生進行小組合作，共同完成實驗，促進交流分享，增強合作與團隊精神。在合作過程中，有好幾個小組成員之間分工明確，有的負責操作實驗，有的截圖保存數據，有的負責記錄數據，有的負責分析結果，最終高效地完成了實驗任務。

在隨后的課外拓展實驗中，學生自發分組，積極完成多個實驗，如利用雙線擺重做該實驗提高精度、利用多磁鐵測電梯速度和加速度、測定彈簧振子的周期等。在實踐中，各成員之間交流活躍，積極思考，配合默契，能有效運用已學物理知識解決實際問題。合作中，學生科學思維、科學探究、創新能力及實踐能力均得到鍛煉和提升。

（五）反思評價，促進自我提升

實驗結束，組織學生反思評價，總結收獲與不足，提出改進方案。如部分小組重力加速度測量誤差大，原因可能是擺長測量不準，小球與磁鐵重心難以確定，以懸吊點至小鋼球下端距離為擺長可能不科學。學生討論提出多種解決辦法，如用裝滿細沙的小蠟殼中心裝磁鐵作為擺球、兩片圓形磁鐵直接吸附充當擺球等。也有小組認為誤差源于擺角過大，認識到擺角小于15°誤差才小。教師提醒學生思考本實驗中用phyphox軟件磁力計能否用于其他實驗，學生討論熱烈，提出諸多測量周期和速度的創新性方法。教師分發磁鐵，讓學生節假日回家操作，學生興趣濃厚。

四、教學效果與反思

運用phyphox進行單擺實驗，學生的學習積極性得到了大幅度提高，課堂參與度顯著增強。在過往的物理實驗教學中，由于器材的限制，學生可能無法直觀地感受到物理量的變化過程，導致對物理概念的理解較為淺顯，而phyphox軟件的出現改變了這一狀況。在該實驗中，學生反映用手機軟件測磁感應強度的變化、測定單擺周期更加便捷高效、精度高，相較傳統方法更受歡迎。學生不僅掌握了實驗方法原理，科學思維和實踐能力也得以培養，小組合作和反思評價也鍛煉了學生的合作意識與自我提升能力。

但教學中也發現了一些不足，如部分學生軟件操作不熟練影響實驗進度，數據分析處理有困難，后續教學需加強軟件操作培訓和數據處理指導。

綜上所述，運用phyphox進行實驗，為物理教學注入了新的活力，有效地促進了學生的深度學習。未來教學應持續探索其應用，創新教學方法手段，為學生的學習創造更優越的條件。